超滤在我国老水厂升级改造中的应用前景分析
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摘 要 地表水水环境污染的加剧以及国家新的饮用水卫生标准的提出和强制执行给国内饮用水处理工艺带来极大地挑战。因此，国内大部分老水厂必须进行水处理工艺的升级改造。超滤是一项高效的固液分离技术，已逐渐的被应用于水处理领域。本文结合传统饮用水处理传统工艺的弊端论述了超滤技术在饮用水处理中的应用现状,并重点介绍了混凝-超滤、PAC-超滤等联合工艺国内外的研究进展。
关键词 超滤；膜技术；饮用水处理；膜污染
中图分类号P64 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）55-0100-02
工农业的快速发展导致大量的生产、生活污水及农田废水排入地表水中，导致水环境污染加剧、水源水水质恶化，目前水中的污染物尤其是有机污染物越来越多。据统计,地表水中已经检测出高达2000余种的有机污染物，包括许多的持久性有机物(POPs)和内分泌干扰素(EDs),其中许多物质具有致癌、致畸形、致突变的作用[1]。而传统的给水处理工艺混凝/沉淀/过滤/消毒等对这类物质去除能力有限,即使增加预氯化和粉末活性炭吸附也很难根除这些污染物。此外加氯消毒会使氯氧化水中的某些具有还原性有机物并产生危害更大的卤代烃类和卤乙酸类消毒副产物。在水质安全保障方面,超滤技术具有明显的技术优势。超滤（简称UF）是以压力为驱动力，利用极其微小的膜孔对液体进行分离的物理筛分过程，截留所有颗粒粒径大有膜孔的物质。超滤膜为不对称膜，其表面活性分离层平均孔径均小于10nm，能够截留分子量为10万道尔顿以上的大分子与胶体微粒[2]。超滤对去除水中微米级的颗粒优于常规水处理技术中的过滤能力,而且还具有去除过滤所不具备的纳米级微粒的能力。超滤在水处理中应用最大的优势在于超滤可以严格控制水中细菌和病毒数量，有效地保障饮用水的生物安全性。
1传统水处理工艺的缺陷
国内大部分水厂采用地表水作为水源。目前，地表水普遍存在有机污染严重现象, 主要体现为有机化学污染、地面环境污染、微生动物污染等，污染物的种类繁多、性质各异，给水处理工艺带来极大地挑战。然而国内水厂目前仍主要采用以混凝/沉淀/过滤/氯消毒为主体的第一代城市饮用水净化工艺。通常情况下，传统工艺主要用控制水中的悬浮颗粒以及胶体颗粒，对于溶解性污染物控制效能有限。
1.1 传统工艺对两虫去除效果不佳
在2006 年颁布的新国标《生活饮用水卫生标准》中，对出水中蓝氏贾第虫和隐孢子虫提出了明确的限制值, 规定蓝氏贾第鞭毛虫和隐孢子虫均为小于1个/10L。据美国USEPA研究表明，当自来水厂出水的浊度降低至0.5NTU，可显著降低两虫的风险；当出水浊度在0.3NTU以下时，微生物去除率接近99%；当出水浊度低于0.1NTU，两虫的去除率可达99.9%以上[3]。另外，两虫的检测极为困难，需要大量昂贵的设备，大多数水厂不能实现两虫的检测。因此，通过降低出厂水的浑浊度来控制水中的两虫是目前最可行的方法。老的饮用水卫生标准对水厂出水的要求为3.0NTU，新国标要求水厂出厂水的浊度须控制在1.0NTU以下.在这种条件，还是存在极大地两虫的风险。
1.2 消毒副产物
饮用水经氯消毒后产生的有机卤化物，特别是三卤甲烷和卤乙酸引起了各国的广泛重视, 而研究最多的是饮水中最易产生、数量最大的氯仿。饮水中的氯仿对人体具有全身中毒和远期效应，特别是对人体的致癌作用，对人体健康十分有害。水中的天然有机物包括腐殖酸、微生物代谢产物等在游离性氯的作用下生成三氯甲烷及氯乙酸等消毒副产物。
1.3 藻类去除效果不佳
由于地表水环境污染的加剧，导致湖泊、水库水体富营养化加重，藻类爆发事情频频发生。国内大型水库如太湖、巢湖等几乎每天夏季都会出现藻类爆发事情。导致临近区域饮用水工艺出现极大地困难。藻类在水中不仅能引起嗅味，还能释放具有肝毒性的藻毒素。传统工艺难以将水中藻类彻底去除。尽管一些工艺如气浮等对藻类具有很高的去除效能，但由于藻类浓度过大，气浮后水中藻细胞浓度还在数百万以上。此外，藻类的代谢产物往往具有亲水性特征，在混凝、吸附处理阶段都难以去除，这些物质在消毒阶段容易生成氯化消毒副产物。
2以超滤为核心的水处理工艺
近年来，超滤逐渐的开始应用于饮用水处理的实际工程，目前已有几个大规模应用的实例，如山东东营市南郊水厂的浸没式超滤净水工程。超滤膜是胶体物质和悬浮颗粒的有效屏障，同时超滤膜亦能实现对“两虫”、藻类、细菌、病毒和水生生物的完全去除，是目前保障饮用水的微生物安全性的最有效技术[4]。与传统工艺相比, 超滤膜的显著优点是对原水水质波动适应能力强, 可实现及时调节。但是，超滤技术存在两个与生俱来的技术缺陷。由于超滤技术基于机械筛分，通过膜孔来截留污染物,对于能通过膜孔的解性有机物、金属离子、溶解性盐和一些小分子有机物的控制效果较差。另外，污染物在膜表面累积会引起超滤膜污染，导致膜透水效能下降以及能量消耗增加。这两个技术缺陷严重的制约了超滤技术在水处理领域进一步推广应用。因此，许多专家学者致力于强化溶解性污染物去除和膜污染控制，通过研究超滤与其他工艺的组合以强化对各类污染物质的去除效果，同时降低膜污染。其中PAC-UF组合工艺和混凝-超滤组合工艺等在国内外研究很多，并取得了很多成果。
2.1 PAC-UF组合工艺
关于粉末活性炭和超滤（PAC-UF）组合工艺, 许多学者已经进行了深入的研究, 研究结果认为，粉末活性炭吸附预处理不仅能提高组合工艺对有机物的去除效能，还能有效地缓解膜污染。C.Anselme等人[5]提出将一定量的粉末活性炭（6mg/L~15mg/L）投加到超滤膜装置中, 组成PAC-UF工艺来处理饮用水。PAC可以有效吸附水溶解性小分子的有机物，使溶解性有机物转移至活性炭颗粒表面,再利用超滤膜截留粉末活性炭颗粒,这样便可实现对低分子量溶解性有机污染物的去除。此外，粉末活性炭吸附预处理还可以效防止膜污染。Loseph等人[6]通过电子显微镜发现PAC在膜面上形成疏松多孔的滤饼层,具有一定得预过滤作用，它不仅能加强对水中小分子有机物的吸附作用，还可以通过预过滤作用，截留一些大分子有机物，因而具有缓解膜污染的作用。同时粉末活性炭滤饼层较为疏松，容易在反冲洗过程中被清洗掉。
国内王宝贞和张捍民等人[7]对粉末活性炭与超滤膜组合工艺去除饮用水中有机物污染物的研究结果表明：随着粉末活性炭投加量的增加, CODMn、UV254、酚的去除效能具有明显增加；粉末活性炭的加入可以显著提高超滤膜去除CODMn和氨氮的能力。另外，粉末活性炭的加入可以降低超滤膜污染, 对维持超滤膜的渗透性能起到重要作用。董秉直等[8]以PAC-UF组合工艺处理黄浦江原水, 发现活性炭和超滤膜共同实现对水中有机物的去除, 两者之间具有协同作用。粉末活性炭能有效吸附小分子量的有机物，而超滤能够截留大分子量的溶解性有机物，因此二者结合能够实现很大分子量范围溶解性有机物的高效分离。
2.2混凝－超滤组合工艺
混凝预处理通过降低进入超滤膜系统的污染物负荷，从而有效提高的膜通量。但是，目前对混凝－超滤组合工艺的除污染以及缓解膜污染机制的研究还不深入，二者的协同机理还不明确。易兆青利用国产超滤膜进行了混凝-超滤组合工艺出天然水的试验发现，混凝-超滤工艺对天然的溶解性有机物的去除效能显著高于原水直接超滤，特别是对分子量在6kDa以下的有机物的去除率有明显的提高[9]。这说明，混凝预处理过程中形成的微絮体对水中的溶解性小分子有机物具有吸附作用，使之在沉淀阶段实现固液分离。从而降低了这些污染物通过膜孔吸附引起的不可逆污染。此外，混凝预处理形成的微絮体主要在膜表面形成滤饼层，由于微絮体颗粒较大，形成的滤饼层孔隙率较大，对超滤的通量影响明显低于原水直接超滤。董秉直等 [8]通过分析原水和混凝出水中有机物的分子量分布及亲疏水性特性，得出如下结论：膜表面的滤饼层对混凝能否有效缓解超滤膜污染起决定性作用。在线混凝和超滤组合工艺中，膜表面形成的滤饼层中的污染物主要为亲水中性的小分子有机物, 这些污染物与膜之间的界面吸附作用小，不会形成严重的不可逆污染；混凝和超滤组合工艺中，滤饼层主要由中性亲水性的小分子有机物构成,这些物质能紧密地附着在膜表面,不容易被反冲洗所去除, 从而造成了不可逆膜污染。李伟英等进行了混凝-超滤组合工艺处理长江水的中试试验研究[10]。研究结果显示,组合工艺对水中颗粒污染物的去除效能很高，浊度去除率在99.5%以上。组合工艺还能明显的降低水中的DOC、CODMn和UV254，与传统净水工艺相比, 组合工艺不仅出水水质好而且降低了2/3的混凝剂量。组合工艺连续运行5个月，膜污染增长较为缓慢,这说明混凝-超滤组合工艺具有长期稳定性，可以在大规模的净水工程中应用。
3展望
超滤膜技术在老水厂深度处理改造中具有广泛的发展前景，而膜污染是超滤膜技术进一步推广的巨大障碍，因此加强膜前预处理缓解膜污染对超滤膜的应用具有重大意义。通过总结和分析大量的研究成果，发现膜污染机理研究和膜前预处理研究领域还在存在巨大的研究空间。
3.1 强化膜污染和膜前预处理机制研究
目前，超滤膜污染的机理主要还停留在定性的描述，如滤饼层污染、膜孔吸附污染、膜孔堵塞污染，而这些污染形式与污染物受力平衡有着必然的联系。但是目前的研究成果还不能将膜污染形式和污染受力情况有机的结合，更不能进行定量的分析，因此强化膜污染和膜前预处理缓解膜污染的机制研究具有重要意义。
3.2 开发新的膜前预处理技术
从超滤膜污染物质分析中可知，天然有机物中的亲水组分不仅可以形成滤饼层污染，还可以堵塞膜孔、吸附在膜孔内部，形成不可逆污染。然而混凝和吸附预处理主要去除水中的有机胶体和疏水性有机物，对亲水性有机物的去除效能很低，膜前预氧化处理还会加重水中有机物的亲水性。因此强化现有的膜前预处理技术和开发新的膜前预处理技术，加强亲水性有机物去除效能，是膜前预处理的重要发展方向。
3.3膜前预处理技术组合研究
由于水源水质的季节性波动，每一种单一的膜前预处理技术都不能始终保持运行的高效性，因此需要加强膜前预处理工艺的组合研究，提高膜前预处理对水质的适应能力。膜前预处理技术组合需要增加预处理单元，有可能导致超滤膜组合工艺的基建投资和运行成本的增加，因此提高膜前预处理组合技术的灵活性和开发多功能的预处理构筑物是膜前预处理技术组合研究的重要任务。
4 结论
随着新版国家饮用水卫生标准的强制执行，国内大量老水厂需要进行深度处理改造。以超滤为核心的组合工艺将具有广泛的应用前景。由于超滤技术天然的技术缺陷，在老水厂的膜深度处理改造中需要注意膜前预处理工艺和膜分离的有效结合，基于原水水质特征构建具有协同除污染作用的组合工艺。然而关于以超滤为核心组合工艺在膜污染控制方面的研究还任重道远。
参考文献
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